미래 신소재 '탄소섬유'

최근에 여러 매체를 통해 탄소섬유에 대한 이야기를 많이 듣고 있다. 탄소섬유가 중요한 소재라는 것은 알겠는데, 정확히 이게 무슨 소재일까?
- 탄소섬유(Carbon Fiber)는 수많은 탄소 원자가 결정 구조를 이루어 길게 늘어선 분자 사슬로 이루어진 섬유다. 탄소가 92% 이상 함유된 탄소섬유는, 철의 25% 무게에 불과하지만 강도는 10배, 탄성은 7배 정도 높다. 그럼에도 불구하고 고강도, 저밀도, 뛰어난 열저항성, 전기전도성 등으로 인해 미래소재로 각광받고 있다. 최근에는 탄소섬유가 우주산업, 자동차, 군사, 스포츠, 의료산업 등에서 소재로 활용되고 있다.

탄소섬유의 제작

탄소섬유는 일반적으로 PAN(polyacrylonitrile)이나 피치를 이용해 제작한다.
원료를 PAN을 사용할 땐 아크릴로나이트릴(AN : acrylonitrile)에 열과 압력을 가해 고분자 상태로 만들어 방사한다. 피치를 사용할 땐 열을 가해 용융한 다음, single-hole melt spinning 장비와 같이 실을 뽑을 수 있는 장비를 이용해서 실 형태로 방사한다. 그리고 공통적으로 열을 가해 저온에서 산화시키고, 산소를 차단한 환경에서 열로 탄화시켜 마무리한다.

탄소의 구조

피치의 방사는 single hole 기준으로 약 300°C 부근에서 수행된다. 꼭 온도가 300°C일 필요는 없고 원료로 사용되는 피치의 연화점보다 약 50°C 정도 높은 온도에서 방사된다고 보면 된다. 왜냐하면 연화점에 해당하는 온도에서는 점도가 너무 높아 방사가 잘 안 되기 때문에 온도를 더 올려야 하는데, 그렇다고 너무 온도에서 방사하면 도중에 피치가 중합되어 의도치 않은 고분자를 형성하기 때문에 적당히 올리는 것이 좋다. 그것이 연화점 + 50°C 정도 된다.

이후에 방사된 섬유를 산화시키는 과정이 수행되는데, 이 단계는 섬유형태를 유지하기 위해 필요한 단계다. 섬유를 방사하고 그대로 칭칭 감으면 섬유끼리 달라붙는 문제가 생긴다. 이를 방지하고 실 형태를 유지하기 위해 약간의 산소를 붙이는 것이다.

그 이후에는 약 800°C에서 산소가 없는 환경에서 열처리를 해 탄화를 진행한다. 이런 과정을 거치면 탄소섬유가 완성된다. 탄소섬유 제작 공정을 셋업하는 데 많은 비용이 드는 주된 이유가 바로 불활성 기체/무산소 제조 설비를 갖춰야 하기 때문이다. 산소가 들어가면 연소, 즉 타서 이산화탄소가 되어버린다. 이 소성 과정을 거친 섬유는 탄소(C) 성분만 남아 탄소섬유가 완성된다.

탄소섬유의 특징

탄소섬유의 특성은 원료와 생산방법에 의해 결정된다. PAN계 탄소섬유는 높은 인장강도와 생산성을 갖고 있어서 현재 탄소섬유 시장의 대부분이 PAN계 탄소섬유이다. 하지만 상대적으로 낮은 탄소함량으로 인해 가격이 높다는 문제점이 있어서 고가의 자동차나 프리미엄 스포츠용품 등에 좁은 범위에서 활용될 뿐 널리 사용되지 못하고 있다.

PAN계 탄소섬유 외에 피치계 탄소섬유는 일반적으로 PFO(Pyrolysis Fuel Oil)나 콜타르를 증류해서 만든 피치를 원료로 사용한다. 피치는 PAN에 비해 가격이 낮아서 경제적이기 때문에, 탄소섬유를 보다 많은 분야에서 활용하기 위해선 피치를 활용하는 것이 좋은 방법일 수 있다. 하지만 PAN으로 만든 것과 성능에서 차이가 있기 때문에 그것을 극복하기 위한 연구가 다방면으로 수행되고 있다.

PFO나 콜타르를 증류해 만든 탄소섬유는 깔끔한 실 형태로 방사되었지만 slurry oil을 증류해 만든 피치로 방사한 경우 울퉁불퉁한 형태의 실이 제작되었다는 연구결과가 있다(출처: Carbon letters 19 (2016): 72-78.). slurry oil 같은 경우, 저비점 성분을 제거하기 위해 고온의 조건에서 실험을 수행해서 부반응으로 고분자가 발생해서 탄소섬유를 방사할 때 울퉁불퉁한 덩어리로써 나타난다고 생각한다.

그에 반해 PAN계 탄소섬유는 아크릴로나이트릴(AN : acrylonitrile)을 원하는 만큼 중합시켜 적당한 크기를 제작해 방사하기 때문에 앞서 이야기한 부반응이 적다는 장점이 있다. 그리고 일정한 크기의 원료를 사용하기 때문에, 다양한 물질이 섞여있는 피치와는 다르게 일정한 품질의 탄소섬유를 지속적으로 생산할 수 있다. 그렇기 때문에 대부분의 탄소시장이 PAN계 탄소섬유가 점유하고 있지 않은가 생각이 든다.